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Autor(en): Zarubin, Dmitry
Titel: Topology-based representations for motion planning and grasping
Sonstige Titel: Topologie-basierte Darstellungen für Bewegungsplanung und Greifen
Erscheinungsdatum: 2015
Dokumentart: Dissertation
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-100296
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/3559
http://dx.doi.org/10.18419/opus-3542
Zusammenfassung: The planning and synthesis of human-like motions remains an open area of robotics research. This thesis aims to employ ideas and methods from topology in order to improve current motion planning algorithms and to enable the synthesis of dexterous manipulations. The first half of the presented work is devoted to a representational problem and how it can be addressed using topology-based invariants. The mapping from abstract spaces to the configuration space is derived. Representations are selected based on their ability to extract essential information about the interaction between objects. We propose to extend an approximate inference control framework with an additional layer of inference in order to cope with novel representations. Our approach exploits a natural hierarchy of several representations and improves the quality and computation time of motion planning. The advantages of using the writhe space and the space of winding numbers are demonstrated in simulation. We also derive a gradient-based method for temporal optimal control within a common framework. The second half of the thesis is dedicated to the synthesis of grasping and caging movements. Firstly, we address the problem of grasp transfer using topology-based representations in order to reduce the dimensionality of the demonstrated hand postures. The motion planning methods derived in the first half of the thesis will then be used to generate an optimal trajectory leading to the desired grasp configuration. We focus in particular on which parts of a target object are better suited for grasping. We develop a novel hand-local representation, which we call a geodesic ball. This representation is invariant to a particular kinematic structure of a manipulator and allows for a systematic analysis of an object's structure. We introduce two novel caging heuristics based on the discrete Gaussian curvature integral and winding angles respectively. We demonstrate the effectiveness of a novel representation by evaluating the stability of generated caging grasps and by comparing it to other heuristics.
Diese Dissertation hat das Ziel Ideen und Methoden aus der Topologie zu verwenden um aktuelle Bewegungsplanungsalgorithmen zu verbessern und die Synthese von geschickten Manipulationen zu ermöglichen. Die erste Hälfte der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich mit einem Repräsentationsproblem und wie es mit dem Verfahren von Topologie-basierten Invarianten gelöst werden kann. Dabei leiten wir die Abbildung von abstrakten Räumen in den Konfigurationsraum her. Repräsentationen werden auf der Grundlage ihrer Fähigkeit, mit der sie Informationen über die Interaktion zwischen Objekten extrahieren ausgewählt. Wir schlagen ein Regelungsverfahren basierend auf approximierter Inferenz vor, das mit einer zusätzlichen Schicht der Inferenz erweitert wird um neuartigen Repräsentationen zu bewältigen. Unser Ansatz nutzt eine natürliche Hierarchie von mehreren Repräsentationen und verbessert die Qualität und die Rechenzeit der Bewegungsplanung. Die Vorteile der Verwendung des Writhe Raumes und des Raumes der Winding Numbers werden in der Simulation gezeigt. Wir entwickeln auch ein gradientenbasiertes Verfahren zur optimalen zeitlichen Steuerung, dass in ein allgemeines Planungsframework eingebettet wird. Die zweite Hälfte der Arbeit ist der Synthese von Greifbewegungen gewidmet. Zuerst betrachten wir das Problem der Übertragung von Griffen mit Topologie-basierten Repräsentationen um die Dimensionalität des Problems zu reduzieren. Die Bewegungplanungsmethoden, die in der ersten Hälfte der Arbeit hergeleitet wurden, werden dann dazu verwendet eine optimale Trajektorie zu erzeugen, die zu der gewünschten Griff-Konfiguration führt. Insbesondere betrachten wir welche Teile eines Zielobjekts zum Ergreifen besser geeignet sind. Wir entwickeln eine neuartige Hand-Repräsentation, die wir Geodesic Ball nennen. Diese Repräsentation ist invariant zu einer bestimmten kinematischen Struktur des Manipulators und ermöglicht eine systematische Analyse der Struktur eines Objekts. Wir entwickeln zwei neue Caging Heuristiken auf der Basis des diskreten Gaußschen Krümmungs Integrale und von Wickelwinkel. Wir zeigen die Wirksamkeit der neuartigen Repräsentation durch Auswertung der Stabilität der erzeugten Hand-Konfigurationen und einen Vergleich mit anderen Heuristiken.
Enthalten in den Sammlungen:05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik

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